特許 7577242 膜モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-24

(45)【発行日】2024-11-01

(54)【発明の名称】膜モジュール

(51)【国際特許分類】

   B01D 53/22 20060101AFI20241025BHJP

   B01D 63/00 20060101ALI20241025BHJP

【ＦＩ】

B01D53/22

B01D63/00 500

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2024502823

(86)(22)【出願日】2022-10-31

(86)【国際出願番号】 JP2022040803

(87)【国際公開番号】W WO2023162351

(87)【国際公開日】2023-08-31

【審査請求日】2024-04-16

(31)【優先権主張番号】P 2022029393

(32)【優先日】2022-02-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】弁理士法人新樹グローバル・アイピー

(72)【発明者】

【氏名】中川 剛佑

(72)【発明者】

【氏名】飯田 和希

(72)【発明者】

【氏名】菅 博史

(72)【発明者】

【氏名】鳥井 淳史

(72)【発明者】

【氏名】塩見 誠

(72)【発明者】

【氏名】柴垣 行成

(72)【発明者】

【氏名】清水 克哉

【審査官】山崎 直也

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０５６１１９３１（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５６６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０２５６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０７１１０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２９２２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００８９４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｄ ５３／２２

Ｂ０１Ｄ ６１／００－７１／８２

Ｃ０２Ｆ １／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハウジングと、
前記ハウジング内に収容され、２ＭＰａ以上の高圧下で用いられる膜構造体と、
前記ハウジングと前記膜構造体との間を封止する封止部と、
前記ハウジングのうち前記封止部と接触する部分を局所的に冷却する冷却部と、
を備え、
前記冷却部は、前記ハウジング又は前記封止部に形成された通気孔である、
膜モジュール。

【請求項2】

ハウジングと、
前記ハウジング内に収容され、２ＭＰａ以上の高圧下で用いられる膜構造体と、
前記ハウジングと前記膜構造体との間を封止する封止部と、
前記ハウジングのうち前記封止部と接触する部分を局所的に冷却する冷却部と、
を備え、
前記封止部は、前記膜構造体とともに前記膜構造体の長手方向に移動可能である、
膜モジュール。

【請求項3】

ハウジングと、
前記ハウジング内に収容され、２ＭＰａ以上の高圧下で用いられる膜構造体と、
前記ハウジングと前記膜構造体との間を封止する封止部と、
前記ハウジングのうち前記封止部と接触する部分を局所的に冷却する冷却部と、
を備え、
前記封止部は、
前記ハウジングの内面に固定され、前記膜構造体の側面と対向する傾斜面を有する環状の固定部と、
前記側面に取り付けられ、前記傾斜面と当接する環状の当接部と、
を有する、
膜モジュール。

【請求項4】

前記冷却部は、冷媒が循環する冷媒流路である、
請求項１乃至３のいずれかに記載の膜モジュール。

【請求項5】

前記冷媒流路は、前記ハウジングの外部に配置される、
請求項４に記載の膜モジュール。

【請求項6】

前記冷却部は、前記ハウジングの外表面に形成された放熱フィンである、
請求項１乃至３のいずれかに記載の膜モジュール。

【請求項7】

前記膜構造体は、水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物である水蒸気を透過させる分離膜を有するリアクタである、
請求項１乃至３のいずれかに記載の膜モジュール。

【請求項8】

前記膜構造体は、混合流体に含まれる所望の成分を透過可能な分離膜を有する分離膜構造体である、
請求項１乃至３のいずれかに記載の膜モジュール。

【請求項9】

前記封止部は、弾性部材によって構成されるＯリングである、
請求項２に記載の膜モジュール。

【請求項10】

ハウジングと、
前記ハウジング内に収容され、混合流体に含まれる所望の成分を透過可能な分離膜を有する分離膜構造体と、
前記ハウジングと前記分離膜構造体との間を封止する封止部と、
前記ハウジングのうち前記封止部と接触する部分を局所的に冷却する冷却部と、
を備え、
前記冷却部は、前記ハウジング又は前記封止部に形成された通気孔である、
膜モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、膜モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ハウジングとハウジング内に収容される膜構造体とを備える膜モジュールが知られている。膜構造体としては、例えば分離膜構造体（例えば、特許文献１参照）が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１８／１８００９５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の膜モジュールでは、ハウジング内に膜構造体を固定するために、ハウジングと膜構造体との間を封止する封止部（例えば、Ｏリング）が設けられている。

【0005】

しかしながら、分離を高温で行う必要がある場合において、ハウジングは膜構造体より熱膨張しやすいため、封止部の封止性能が低下してしまうおそれがある。このような問題は、膜構造体が分離膜構造体である場合に限らず、膜構造体がリアクタなどである場合にも生じる。

【0006】

本発明は、封止部の封止性能の低下を抑制可能な膜モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の側面に係る膜モジュールは、ハウジングと、ハウジング内に収容される膜構造体と、ハウジングと膜構造体との間を封止する封止部と、ハウジングのうち封止部と接触する部分を冷却する冷却部とを備える。

【0008】

本発明の第２の側面に係る膜モジュールは、上記第１の側面に係り、前記冷却部は、冷媒が循環する冷媒流路である。

【0009】

本発明の第３の側面に係る膜モジュールは、上記第２の側面に係り、前記冷媒流路は、前記ハウジングの外部に配置される。

【0010】

本発明の第４の側面に係る膜モジュールは、上記第１の側面に係り、前記冷却部は、前記ハウジングの外表面に形成された放熱フィンである。

【0011】

本発明の第５の側面に係る膜モジュールは、上記第１の側面に係り、前記冷却部は、前記ハウジング又は前記封止部に形成された通気孔である。

【0012】

本発明の第６の側面に係る膜モジュールは、上記第１乃至第５いずれかの側面に係り、膜構造体は、水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物である水蒸気を透過させる分離膜を有するリアクタである。

【0013】

本発明の第７の側面に係る膜モジュールは、上記第１乃至第５いずれかの側面に係り、前記膜構造体は、混合流体に含まれる所望の成分を透過可能な分離膜を有する分離膜構造体である。

【0014】

本発明の第８の側面に係る膜モジュールは、上記第１乃至第７いずれかの側面に係り、前記封止部は、前記膜構造体とともに前記長手方向に移動可能である。

【0015】

本発明の第９の側面に係る膜モジュールは、上記第７の側面に係り、前記封止部は、弾性部材によって構成されるＯリングである。

【0016】

本発明の第１０の側面に係る膜モジュールは、上記第８の側面に係り、前記封止部は、前記ハウジングの内面に固定され、前記膜構造体の側面と対向する傾斜面を有する環状の固定部と、前記側面に取り付けられ、前記傾斜面と当接する環状の当接部とを有する。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、封止部の封止性能の低下を抑制可能な膜モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態に係る膜モジュールの透視側面図

【図2】第１実施形態に係るリアクタの斜視図

【図3】図２のＡ－Ａ断面図

【図4】図２のＢ－Ｂ断面図

【図5】図３のＣ－Ｃ断面図

【図6】第２実施形態に係る膜モジュールの透視側面図

【図7】変形例１に係る膜モジュールの透視側面図

【図8】変形例１に係る膜モジュールの透視側面図

【図9】変形例６に係る膜モジュールの透視側面図

【図10】変形例７に係る膜モジュールの断面図

【図11】変形例７に係る膜モジュールの断面図

【発明を実施するための形態】

【0019】

１．第１実施形態

【0020】

（膜モジュール２）
第１実施形態に係る膜モジュール２について説明する。図１は、膜モジュール２の透視側面図である。

【0021】

図１に示すように、膜モジュール２は、リアクタ１、ハウジング３、第１封止部４、第２封止部５、流れ止め部６、及び冷媒流路７を備える。

【0022】

［リアクタ１］
リアクタ１は、本発明に係る「膜構造体」の一例である。リアクタ１は、ハウジング３内に収容される。リアクタ１の外形は、長手方向に延びる柱状である。

【0023】

リアクタ１は、原料ガスを液体燃料へ転化させるための所謂メンブレンリアクタである。原料ガスは、少なくとも水素及び二酸化炭素を含有する。原料ガスは、一酸化炭素を含有していてよい。原料ガスは、いわゆる合成ガス（Ｓｙｎｇａｓ）であってよい。液体燃料は、常温常圧で液体状態の燃料、又は、常温加圧状態で液化可能な燃料である。常温常圧で液体状態の燃料としては、例えばメタノール、エタノール、Ｃ_ｎＨ_{２（ｍ－２ｎ）}（ｍは９０未満の整数、ｎは３０未満の整数）で表される液体燃料、及びこれらの混合物が挙げられる。常温加圧状態で液化可能な燃料としては、例えばプロパン、ブタン、及びこれらの混合物などが挙げられる。

【0024】

例えば、水素及び二酸化炭素を含有する原料ガスを触媒存在下で接触水素化することでメタノールを合成する際の反応式（１）は次の通りである。

【0025】

ＣＯ_２＋３Ｈ_２ ⇔ ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ （１）

【0026】

上記反応は平衡反応であり、リアクタ１は、転化反応の生成物の一つである水蒸気を分離することによって反応平衡を生成物側にシフトさせることができる。転化効率及び反応速度を高めるには、高温高圧下（例えば、１８０℃以上、２ＭＰａ以上）で実施されることが好ましい。液体燃料は、合成された時点では気体状態であり、少なくともリアクタ１から流出するまでは気体状態のまま維持される。リアクタ１は、所望の液体燃料の合成条件に適した耐熱性及び耐圧性を有することが好ましい。

【0027】

リアクタ１は、後述するように主にセラミック材料によって構成される。リアクタ１の詳細構成については後述する。

【0028】

［ハウジング３］
ハウジング３は、内部にリアクタ１を収容する。ハウジング３の内部は、第１封止部４、第２封止部５及び流れ止め部６によって、第１乃至第４空間Ｐ１～Ｐ４に区画される。ハウジング３は、原料ガス供給口３ａ、液体燃料排出口３ｂ、掃引ガス供給口３ｃ及び掃引ガス排出口３ｄを有する。

【0029】

原料ガスは、原料ガス供給口３ａから第１空間Ｐ１に供給される。原料ガスは、第１空間Ｐ１からリアクタ１内に流入する。液体燃料は、リアクタ１から第２空間Ｐ２に流出する。第２空間Ｐ２に流出した液体燃料は、液体燃料排出口３ｂから外部に排出される。

【0030】

掃引ガスは、掃引ガス供給口３ｃから第３空間Ｐ３に供給される。掃引ガスは、第３空間Ｐ３からリアクタ１内に流入する。リアクタ１内で水蒸気を取り込んだ掃引ガスは、リアクタ１から第４空間Ｐ４に流出する。第４空間Ｐ４に流出した掃引ガスは、掃引ガス排出口３ｄから外部に排出される。

【0031】

なお、図１では、掃引ガス供給口３ｃが、リアクタ１の軸心を基準として、掃引ガス排出口３ｄの反対側に配置されている。これによって、後述する各第２流路１２を介して掃引ガス供給口３ａから掃引ガス排出口３ｂまで流れる掃引ガスの各流路長を同等にできるため、掃引ガスの流れが偏ることを抑制できる。ただし、掃引ガス供給口３ｃ及び掃引ガス排出口３ｄそれぞれの位置関係は適宜変更可能である。

【0032】

ハウジング３は、主に金属材料（ステンレス鋼など）によって構成される。本実施形態では、ハウジング３の熱膨張係数がリアクタ１の熱膨張係数より大きいことが想定されている。そのため、ハウジング３はリアクタ１より熱膨張しやすい。

【0033】

このように、ハウジング３がリアクタ１より熱膨張しやすい場合、ハウジング３がリアクタ１に比べて短手方向（長手方向に垂直な方向）に大きく膨張することによって、第１封止部４の封止性能が低下するおそれがある。そこで、後述するように、ハウジング３に冷媒流路７を取り付けることによって、第１封止部４の封止性能が低下することが抑制されている。

【0034】

ハウジング３がリアクタ１より熱膨張しやすいことは、長手方向におけるリアクタ１の実質ＴＥ（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）に対する、長手方向におけるハウジング３の実質ＴＥの比（以下、「実質ＴＥ比」という。）が１より大きいことを意味する。

【0035】

リアクタ１の実質ＴＥは、膜モジュール２の作動温度と室温との差分（ｄＴ）と、長手方向におけるリアクタ１の熱膨張係数（ＣＴＥ）との乗算値である。ハウジング３の実質ＴＥは、膜モジュール２の作動温度と室温との差分（ｄＴ）と、長手方向におけるハウジング３の熱膨張係数との乗算値である。

【0036】

実質ＴＥ比は、３以下であることが好ましい。これによって、ハウジング３とリアクタ１との熱膨張差を低減できるため、第１封止部４の封止性能が低下することをより抑制できる。

【0037】

［第１封止部４］
第１封止部４は、本発明に係る「封止部」の一例である。第１封止部４は、ハウジング３とリアクタ１の第１端部１ａとの間を封止する。第１封止部４は、リアクタ１の第１端部１ａを保持する。本実施形態において、第１封止部４は環状に形成される。

【0038】

第１封止部４は、弾性部材によって構成されるＯリングである。弾性部材としては、ゴム、樹脂、金属などが挙げられる。第１封止部４は、リアクタ１の側面Ｓ３とハウジング３の内面Ｔ１との間で圧縮されていることが好ましい。

【0039】

第１封止部４は、リアクタ１の側面Ｓ３とハウジング３の内面Ｔ１とに接触する。第１封止部４は、長手方向においてリアクタ１がハウジング３に対して相対的に移動した場合、長手方向に移動可能である。そのため、リアクタ１がハウジング３に対して長手方向において相対移動しても、ハウジング３とリアクタ１の第１端部１ａとの間の封止性を維持することができる。

【0040】

［第２封止部５］
第２封止部５は、ハウジング３とリアクタ１の第２端部１ｂとの間を封止する。第２封止部５は、リアクタ１の第２端部１ｂを保持する。第２封止部５は、リアクタ１の側面Ｓ３とハウジング３の内面Ｔ１とに接続される。本実施形態において、第２封止部５は環状に形成される。

【0041】

第２封止部５の第２空間Ｐ２側は高温の液体燃料や水蒸気に曝されるため、高温の液体燃料の化学的負荷に対する耐性と水蒸気に対する耐性とが第２封止部５の構成材料には求められる。第２封止部５の構成材料としては、例えばガラス、銀ろう、はんだ、無機系接着剤などが挙げられる。第２封止部５の構成材料としてゴムやプラスチックは適していない。

【0042】

［流れ止め部６］
流れ止め部６は、リアクタ１とハウジング３との間に配置される。流れ止め部６は、第３空間Ｐ３と第４空間Ｐ４との間に配置される。本実施形態において、流れ止め部６は環状に形成される。

【0043】

流れ止め部６は、第３空間Ｐ３から第４空間Ｐ４へ掃引ガスが流れることを抑制する。ただし、流れ止め部６は、掃引ガスの流れを抑えることができればよく、リアクタ１とハウジング３との間を密封していなくてよい。流れ止め部６は、例えば膨張黒鉛、ゴム、樹脂などによって構成することができる。

【0044】

［冷媒流路７］
冷媒流路７は、本発明に係る「冷却部」の一例である。冷媒流路７は、ハウジング３のうち第１封止部４と接触する部分に取り付けられる。冷媒流路７の内部には、冷媒（液体又は気体）が循環される。

【0045】

冷媒流路７は、ハウジング３のうち第１封止部４と接触する部分を冷却する。これによって、ハウジング３のうち第１封止部４と接触する部分が短手方向に熱膨張することを局所的に抑制できるため、ハウジング３と第１封止部４との間における面圧の低下を抑えることができる。その結果、第１封止部４の封止性能が低下することを抑制できる。

【0046】

本実施形態において、冷媒流路７は、ハウジング３の外部に配置される。そのため、冷媒流路７を耐圧構造にする必要がないため、膜モジュール２の構成を簡素化できる。

【0047】

（リアクタ１の詳細構成）
次に、本実施形態に係るリアクタ１の詳細構成について説明する。図２は、リアクタ１の斜視図である。図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。図４は、図２のＢ－Ｂ断面図である。図５は、図３のＣ－Ｃ断面図である。

【0048】

図２に示すように、リアクタ１は、モノリス型に形成される。モノリスとは、長手方向に貫通した複数の孔を有する形状を意味し、ハニカムを含む概念である。本実施形態において、リアクタ１は円柱状に形成されているが、リアクタ１の外形は特に限られない。

【0049】

リアクタ１は、第１端部１ａ及び第２端部１ｂを有する。第１端部１ａは、リアクタ１を長手方向に５等分した場合に、リアクタ１の一端部から２／５までの部分である。第２端部１ｂは、リアクタ１を長手方向に５等分した場合に、リアクタ１の他端部から２／５までの部分である。本実施形態において、リアクタ１の第１端部１ａは原料ガスの流入側であり、リアクタ１の第２端部１ｂは液体燃料の流出側である。

【0050】

リアクタ１は、第１端面Ｓ１、第２端面Ｓ２及び側面Ｓ３を有する。第１端面Ｓ１は、第１端部１ａ側の端面である。第２端面Ｓ２は、第２端部１ｂ側の端面である。第１端面Ｓ１は、第２端面Ｓ２の反対側に設けられる。側面Ｓ３は、第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２の外縁に連なる。

【0051】

図２～図４に示すように、リアクタ１は、多孔質支持体１０、触媒２０、分離膜３０、第１シール部４０及び第２シール部５０を備える。

【0052】

多孔質支持体１０は、リアクタ１の長手方向に延びる柱体である。多孔質支持体１０は、多孔質材料によって構成される。

【0053】

多孔質材料としては、セラミック材料、金属材料、樹脂材料などを用いることができ、特にセラミック材料が好適である。セラミック材料の骨材としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、チタニア（ＴｉＯ_２）、ムライト（Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）、セルベン及びコージェライト（Ｍｇ_２Ａｌ_４Ｓｉ_５Ｏ_１８）のうち少なくとも一つを用いることができる。セラミック材料の無機結合材としては、例えば、チタニア、ムライト、易焼結性アルミナ、シリカ、ガラスフリット、粘土鉱物、易焼結性コージェライトのうち少なくとも一つを用いることができる。ただし、セラミック材料は、無機結合材を含んでいなくてよい。

【0054】

図３～図４に示すように、多孔質支持体１０は、多数の第１流路１１及び複数の第２流路１２を有する。

【0055】

各第１流路１１は、図５に示すように、リアクタ１の長手方向に沿って形成される。各第１流路１１は、分離膜３０の非透過側の空間である。各第１流路１１には、原料ガスが流される。各第１流路１１は、貫通孔である。各第１流路１１は、リアクタ１の第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２それぞれに開口する。各第１流路１１は、第１端面Ｓ１に形成される原料ガスの流入口ｅ１と、第２端面Ｓ２に形成される液体燃料の流出口ｅ２とを有する。各第１流路１１内には、触媒２０が配置される。第１流路１１の本数、位置及び形状などは適宜変更可能である。

【0056】

各第２流路１２は、分離膜３０の透過側の空間である。各第２流路１２には、分離膜３０を透過した水蒸気を掃引するための掃引ガスが流される。掃引ガスとしては、不活性ガス（例えば窒素）や空気などを用いることができる。第２流路１２の本数、位置及び形状などは適宜変更可能である。

【0057】

ここで、各第２流路１２は、図３～図４に示すように、複数のセル１３、流入スリット１４及び流出スリット１５によって構成される。

【0058】

複数のセル１３は、リアクタ１の短手方向（長手方向に垂直な方向）に沿って一列に並ぶ。各セル１３は、図５に示すように、リアクタ１の長手方向に沿って形成される。各セル１３の両端は、第１及び第２目封止部１７，１８によって封止される。第１及び第２目封止部１７，１８は、上述した多孔質材料によって構成することができる。

【0059】

流入スリット１４は、図２に示すように、リアクタ１の第２端部１ｂに形成される。流入スリット１４は、図３に示すように、リアクタ１の短手方向に沿って形成される。流入スリット１４は、複数のセル１３を貫通する。流入スリット１４の両端は、側面Ｓ３に開口する。流入スリット１４は、側面Ｓ３に形成される一対の流入口ｄ１を有する。一対の流入口ｄ１は、長手方向における第２流路１２の一端である。

【0060】

流出スリット１５は、図２に示すように、リアクタ１の第１端部１ａに形成される。流出スリット１５は、図４に示すように、リアクタ１の短手方向に沿って形成される。流出スリット１５は、複数のセル１３を貫通する。流出スリット１５の両端は、側面Ｓ３に開口する。流出スリット１５は、側面Ｓ３に形成される一対の排出口ｄ２を有する。一対の排出口ｄ２は、長手方向における第２流路１２の他端である。

【0061】

触媒２０は、各第１流路１１内に配置される。触媒２０は、各第１流路１１内に充填されていることが好ましいが、分離膜３０の表面に層状に配置されていてもよい。触媒２０は、上記式（１）に示した原料ガスから液体燃料への転化反応を促進させる。

【0062】

触媒２０は、所望の液体燃料への転化反応に適した既知の触媒を用いることができる。触媒２０としては、例えば、金属触媒（銅、パラジウムなど）、酸化物触媒（酸化亜鉛、ジルコニア、酸化ガリウムなど）、及び、これらを複合化した触媒（銅－酸化亜鉛、銅－酸化亜鉛－アルミナ、銅－酸化亜鉛－酸化クロム－アルミナ、銅－コバルト－チタニア、及びこれらにパラジウムを修飾した触媒など）が挙げられる。

【0063】

分離膜３０は、多孔質支持体１０によって支持される。分離膜３０は、第１流路１１を取り囲む。分離膜３０は、第１流路１１と第２流路１２との間に配置される。

【0064】

分離膜３０は、原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物の一つである水蒸気を透過させる。これにより、平衡シフト効果を利用して上記式（１）の反応平衡を生成物側にシフトさせることができる。

【0065】

分離膜３０は、１００ｎｍｏｌ／（ｓ・Ｐａ・ｍ^２）以上の水蒸気透過係数を有することが好ましい。水蒸気透過係数は、既知の方法（Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，４０，１６３－１７５（２００１）参照）で求めることができる。

【0066】

分離膜３０は、１００以上の分離係数を有することが好ましい。分離係数が大きいほど、水蒸気を透過しやすく、かつ水蒸気以外の成分（水素、二酸化炭素及び液体燃料など）を透過させにくい。分離係数は、既知の方法（「Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２３９ （２０２０） １１６５３３」のＦｉｇ．１参照）で求めることができる。

【0067】

分離膜３０としては、無機膜を用いることができる。無機膜は、耐熱性、耐圧性、耐水蒸気性を有するため好ましい。無機膜としては、例えばゼオライト膜、シリカ膜、アルミナ膜、これらの複合膜などが挙げられる。特に、シリコン元素（Ｓｉ）とアルミニウム元素（Ａｌ）とのモル比（Ｓｉ／Ａｌ）が１．０以上３．０以下であるＬＴＡ型のゼオライト膜は、水蒸気透過性に優れているため好適である。

【0068】

第１シール部４０は、図２に示すように、多孔質支持体１０の第１端面Ｓ１と側面Ｓ１の一部とを覆う。第１シール部４０は、原料ガスが多孔質支持体１０に侵入することを抑制する。第１シール部４０は、図５に示すように、第１流路１１の流入口ｅ１を塞がないように形成される。第１シール部４０は、第１目封止部１７を覆う。第１シール部４０は、ガラス、金属、ゴム、樹脂などによって構成することができる。

【0069】

第２シール部５０は、図２に示すように、多孔質支持体１０の第２端面Ｓ２と側面Ｓ１の一部とを覆う。第２シール部５０は、液体燃料が多孔質支持体１０に侵入することを抑制する。第２シール部５０は、図５に示すように、第１流路１１の流出口ｅ２を塞がないように形成される。第２シール部５０は、第２目封止部１８を覆う。第２シール部５０は、ガラス、金属、ゴム、樹脂などによって構成することができる。

【0070】

（リアクタ１を用いた液体燃料合成方法）
図５を参照しながら、リアクタ１を用いた液体燃料合成方法について説明する。

【0071】

リアクタ１を用いた液体燃料合成方法は、分離膜３０の非透過側に設けられた第１流路１１に原料ガスを流しながら、分離膜３０の透過側に設けられた第２流路１２に掃引ガスを流す工程を備える。

【0072】

原料ガスは、第１流路１１の流入口ｅ１から第１流路１１内に流入する。第１流路１１内では、上記式（１）に従って、液体燃料とともに水蒸気が生成される。合成された液体燃料は、第１流路１１の流出口ｅ２から流出する。生成物の一つである水蒸気は、分離膜３０及び多孔質支持体１０を順次透過して、第２流路１２に移動する。

【0073】

掃引ガスは、流入スリット１４の流入口ｄ１から流入した後、流入スリット１４からセル１３に流入する。次に、流入スリット１４からセル１３に流入した掃引ガスは、分離膜３０を透過した水蒸気を取り込むとともに、転化反応に伴って発生した反応熱を吸収しながら流出スリット１５側に向かってセル１３内を流れる。流出スリット１５に到達した掃引ガスは、流出スリット１５の排出口ｄ２から排出される。

【0074】

図５に示すように、本実施形態では、分離膜３０の側面視において、第２流路１２を流れる掃引ガスの向きは、第１流路１１を流れる原料ガスの向きと逆である。すなわち、第２流路１２を流れる掃引ガスは、第１流路１１を流れる原料ガスと対向する向きに流れる。

【0075】

ただし、分離膜３０の側面視において、第２流路１２を流れる掃引ガスの向きは、第１流路１１を流れる原料ガスの向きと同じであってもよい。すなわち、第２流路１２を流れる掃引ガスは、第１流路１１を流れる原料ガスと平行な向きに流されてもよい。

【0076】

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る膜モジュール２ａについて説明する。図６は、膜モジュール２ａの透視側面図である。第２実施形態に係る膜モジュール２ａは、冷媒流路７に代えて放熱フィン７ａを備える点において第１実施形態に係る膜モジュール２と相違する。以下、当該相違点について主に説明する。

【0077】

放熱フィン７ａは、本発明に係る「冷却部」の一例である。放熱フィン７ａは、ハウジング３のうち第１封止部４と接触する部分に取り付けられる。放熱フィン７ａは、ハウジング３の外表面に接続される。

【0078】

放熱フィン７ａは、ハウジング３のうち第１封止部４と接触する部分を冷却する。これによって、ハウジング３のうち第１封止部４と接触する部分が短手方向に熱膨張することを局所的に抑制できるため、ハウジング３と第１封止部４との間における面圧の低下を抑えることができる。その結果、第１封止部４の封止性能が低下することを抑制できる。

【0079】

放熱フィン７ａは、複数のフィンによって構成される。各フィンは、ハウジング３の外表面から突出するように配置される。各フィンは、ハウジング３と同種の材料によって構成されることが望ましいが、放熱性を有している限りこれに限定されない。フィンの形状および枚数は特に限られない。

【0080】

（実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0081】

［変形例１］
上記第１及び第２実施形態では、封止部の一例として第１封止部４について説明したが、封止部の構成はこれに限られない。

【0082】

例えば、図７に示すように、膜モジュール２ａは、固定部８ａ及び当接部８ｂを有する第１封止部８を備えていてよい。第１封止部８は、ハウジング３とリアクタ１の第１端部１ａとの間を封止する。第１封止部８は、リアクタ１の第１端部１ａを保持する。

【0083】

固定部８ａは本発明に係る「固定部」の一例である。固定部８ａは、環状に形成される。固定部８ａは、ハウジング３の内面Ｔ１に固定される。固定部８ａは、ハウジング３の内面Ｔ１から突出するように配置される。固定部８ａは、ハウジング３と同種の材料によって構成されることが望ましいが固定部として機能する限りこれに限定されない。固定部８ａは、リアクタ１の側面Ｓ３と対向する傾斜面Ｔ２を有する。傾斜面Ｔ２は、側面Ｓ３に対して傾斜している。具体的には、傾斜面Ｔ２と側面Ｓ３との間隔は、リアクタ１の第１端面Ｓ１側に向かうほど大きくなっている。

【0084】

当接部８ｂは、本発明に係る「当接部」の一例である。当接部８ｂは、環状に形成される。当接部８ｂは、リアクタ１の側面Ｓ３に取り付けられる。当接部８ｂは、リアクタ１とともに長手方向に移動可能である。

【0085】

当接部８ｂは、固定部８ａの傾斜面Ｔ２と当接する。当接部８ｂは、固定部８ａとリアクタ１の側面Ｓ３との間に挟まれる。従って、膜モジュール２ａの作動開始時にハウジング３が長手方向に伸長すると、それに応じて当接部８ｂは固定部８ａの傾斜面Ｔ２に押し付けられる。よって、第１封止部８による保持性及び封止性を維持したままハウジング３の伸縮に対応できるため、リアクタ１及び第１封止部８に応力がかかって損傷することを抑制できる。

【0086】

しかしながら、ハウジング３のうち第１封止部８と接触する部分が短手方向に熱膨張すると、固定部８ａと当接部８ｂとの間における面圧が低下して第１封止部８の封止性能が低下するおそれがある。そこで、ハウジング３のうち第１封止部８と接触する部分を冷媒流路７で冷却することによって、固定部８ａと当接部８ｂとの間における面圧の低下を抑えることができ、その結果、第１封止部８の封止性能が低下することを抑制できる。

【0087】

また、図８に示すように、膜モジュール２ｂは、第２封止部５に類似する構成を有する第１封止部９を備えていてよい。第１封止部９は、ハウジング３とリアクタ１の第１端部１ａとの間を封止する。第１封止部９は、リアクタ１の第１端部１ａを保持する。

【0088】

第１封止部９は、リアクタ１の側面Ｓ３とハウジング３の内面Ｔ１とに接続される。第１封止部９は環状に形成される。第１封止部９は、長手方向に変形又は移動しない。第１封止部９の構成材料としては、例えばガラス、銀ろう、はんだ、無機系接着剤などが挙げられる。また、第１封止部９は高温の液体燃料や水蒸気には曝されないため、第１封止部９の構成材料としてゴムやプラスチックを用いることもできる。

【0089】

第１封止部９は、リアクタ１の側面Ｓ３とハウジング３の内面Ｔ１とに接続されているため、短手方向においてハウジング３の伸縮が繰り返されると第１封止部９が熱応力によって損傷して第１封止部９の封止性能が低下するおそれがある。そこで、ハウジング３のうち第１封止部９と接触する部分を冷媒流路７で冷却することによって、第１封止部９の損傷を抑えることができ、その結果、第１封止部９の封止性能が低下することを抑制できる。

【0090】

［変形例２］
上記第１及び第２実施形態において、膜モジュール２は、ハウジング３のうち第１封止部４と接触する部分を冷却する冷却部（冷媒流路７又は放熱フィン７ａ）を備えることとしたが、これに加えて、ハウジング３のうち第２封止部５と接触する部分を冷却する冷却部を備えていてよい。このように、１つの封止部ごとに冷却部を設けることによって、すべての封止部の封止性能を維持できる。

【0091】

［変形例３］
上記第１及び第２実施形態では、膜構造体の一例として、モノリス型のリアクタ１について説明したが、膜構造体の構成はこれに限られない。

【0092】

例えば、膜構造体は、モノリス型以外のリアクタであってよい。モノリス型以外のリアクタとしては、チューブ型のリアクタ（例えば、特開２０１８－００８９４０号公報）が代表的であるが、これには限られない。

【0093】

また、膜構造体は、混合流体に含まれる所望の成分を透過可能な分離膜を有する分離膜構造体であってよい。分離膜構造体としては、周知のもの（例えば、特開２０１８－１４９４７１号公報、特開２０１９－７６８４５号公報、国際公開第２０１８／０８８０６４号）を用いることができる。このように、本発明では、膜構造体の機能及び構成は問われない。

【0094】

［変形例４］
上記第１実施形態において、冷媒流路７は、ハウジング３の外部に配置されることとしたが、ハウジング３の内部に配置されてもよい。

【0095】

［変形例５］
上記第２実施形態において、膜モジュール２ａは、複数のフィンによって構成される放熱フィン７ａを備えることとしたが、放熱フィンは１枚以上のフィンによって構成されていればよい。

【0096】

例えば、図９に示すように、膜モジュール２ｃは、リアクタ１、ハウジング３、封止部４ｂ、及び１枚の放熱フィン７ｂを備える。

【0097】

リアクタ１の構成は、上記実施形態にて説明した通りである。

【0098】

ハウジング３は、フランジ３１、支持部材３２、押圧部材３３、筒本体３４、及び２枚のフランジガスケット３５を有する。フランジ３１は、原料ガス供給口３ａが中央に形成された環状部材である。支持部材３２は、フランジ３１と筒本体３４の間に配置される環状部材である。支持部材３２は、封止部４ｂを支持する。押圧部材３３は、支持部材３２に締結される。押圧部材３３は、リアクタ１の長手方向において封止部４ｂを押圧する。筒本体３４は、リアクタ１の側周を取り囲む筒状部材である。２枚のフランジガスケット３５は、支持部材３２の両側に配置される。フランジ３１と支持部材３２の間に配置されるフランジガスケット３５によって、フランジ３１と支持部材３２の間に隙間が形成される。支持部材３２と筒本体３４の間に配置されるフランジガスケット３５によって、支持部材３２と筒本体３４の間に隙間が形成される。

【0099】

封止部４ｂは、リアクタ１と支持部材３２の間に配置される。封止部４ｂは、環状に形成されており、リアクタ１の第１端部１ａを取り囲む。封止部４ｂは、リアクタ１の第１端部１ａと支持部材３２との隙間を封止する。封止部４ｂとしては、所謂グランドパッキンを用いることができる。グランドパッキンは、例えば膨張黒鉛によって構成することができる。封止部４ｂが押圧部材３３によって圧縮されることで、封止部４ｂがシール性を発揮する。封止部４ｂのシール性は、支持部材３２に対する押圧部材３３の締結力によって調整可能である。

【0100】

放熱フィン７ｂは、フランジ３１と筒本体３４の間に配置される環状部材である。本実施形態において、放熱フィン７ｂは、フランジ３１と筒本体３４とともに締結具Ｌ１によって共締めされている。放熱フィン７ｂは、ハウジング３の外表面に形成されている。具体的には、放熱フィン７ｂは、支持部材３２の外周に接続される。放熱フィン７ｂは、支持部材３２と一体的に形成されていてもよい。

【0101】

放熱フィン７ｂは、本発明に係る「冷却部」の一例である。放熱フィン７ｂは、ハウジング３のうち封止部４ｂと接触する部分（具体的には、支持部材３２）を冷却する。これによって、ハウジング３のうち封止部４ｂと接触する支持部材３２が短手方向に熱膨張することを局所的に抑制できるため、支持部材３２と封止部４ｂとの間における面圧の低下を抑えることができる。その結果、封止部４ｂの封止性能が低下することを抑制できる。

【0102】

以上、図９を参照しながら、リアクタ１の第１端部１ａ側における冷却構造について説明したが、図９に示した冷却構造は、リアクタ１の第２端部１ｂ側にも適用してもよいし、或いは、リアクタ１の第２端部１ｂ側だけに適用してもよい。

【0103】

［変形例６］
上記第１実施形態では冷媒流路７を「冷却部」の一例として説明し、上記第２実施形態及び変形例５では放熱フィン７ａ，７ｂを「冷却部」の一例として説明したが、「冷却部」はこれらに限られない。

【0104】

例えば、図９に示した封止部４ｂ自体に形成される通気孔を「冷却部」として利用してもよい。具体的には、封止部４ｂがグランドパッキンである場合、支持部材３２に対する押圧部材３３の締結力を緩めることで封止部４ｂのシール性を一部失わせて通気孔とできる。原料ガス供給口３ａから第１空間Ｐ１に流入する高圧の原料ガスの一部は、封止部４ｂの通気孔を通って第４空間Ｐ４に流出する。このとき、原料ガスが断熱膨張に伴って温度が低下するため、ハウジング３のうち封止部４ｂと接触する部分（具体的には、支持部材３２）が冷却される。

【0105】

或いは、ハウジング３に形成される通気孔を「冷却部」として利用してもよい。例えば、図９には図示されていないが、第１空間Ｐ１と第４空間Ｐ４に連通する通気孔を支持部材３２に形成してもよい。この場合、支持部材３２の通気孔を通過する原料ガスの断熱膨張による温度低下によって、ハウジング３のうち封止部４ｂと接触する部分（具体的には、支持部材３２自体）が冷却される。

【0106】

[変形例７]
図１０は、図１に示した膜モジュール２の断面図である。図１０では、リアクタ１の軸心に垂直な断面が図示されている。

【0107】

図１０に示すように、リアクタ１の内部を流出スリット１５が延びる第１延在方向は、掃引ガス排出口３ｄから外部に排出される掃引ガスの排出方向に対して傾斜又は直交していることが好ましい。具体的には、排出方向に対する第１延在方向の角度θ１は、４５度以上１３５度以下が好ましい。これによって、流出スリット１５の両側の開口部から掃引ガス排出口３ｄまでのガス流れの偏りを抑制できるため、掃引ガスの偏流を抑制できる。

【0108】

図１１は、図１に示した膜モジュール２の断面図である。図１１では、リアクタ１の軸心に垂直な断面が図示されている。

【0109】

図１１に示すように、リアクタ１の内部を流入スリット１４が延びる第２延在方向は、掃引ガス供給口３ｃから供給される掃引ガスの供給方向に対して傾斜又は直交していることが好ましい。具体的には、供給方向に対する第２延在方向の角度θ２は、４５度以上１３５度以下が好ましい。これによって、掃引ガス供給口３ｃから流入スリット１４の両側の開口部までのガス流れの偏りを抑制できるため、掃引ガスの偏流を抑制できる。

【0110】

［変形例８］
上記第１及び第２実施形態において、分離膜３０は、原料ガスから液体燃料への転化反応の生成物の一つである水蒸気を透過させることとしたが、これに限られない。分離膜３０は、原料ガスから液体燃料への転化反応によって生成される液体燃料自体を透過させてもよい。この場合においても、上記式（１）の反応平衡を生成物側にシフトさせることができる。

【0111】

また、分離膜３０が液体燃料を透過させる場合には、水蒸気が生成されない反応（例えば、２Ｈ_２＋ＣＯ ⇔ ＣＨ_３ＯＨ）によって液体燃料を生成するときにおいても、反応平衡を生成物側にシフトさせることができる。

【符号の説明】

【0112】

１ リアクタ
２，２ａ，２ｂ 膜モジュール
３ ハウジング
３ａ 原料ガス供給口
３ｂ 液体燃料排出口
３ｃ 掃引ガス供給口
３ｄ 掃引ガス排出口
５ 第２封止部
６ 流れ止め部
７ 冷却流路
７ａ 放熱フィン
４，８，９ 第１封止部
８ａ 固定部
８ｂ 当接部
１０ 多孔質支持体
２０ 触媒
３０ 分離膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】